Metales, no metales y metaloides

    La tabla periódica se configuró en primer lugar a partir de los pesos atómicos y posteriormente en función de los números atómicos, buscando establecer una ordenación que sistematizara las configuraciones electrónicas de los más de 110 elementos que la integran. En función de ello se establecieron numerosas diferenciaciones de grupos o periodos de elementos, introduciendo conceptos como los de metales alcalinos o alcalinotérreos, metales de transición, gases nobles, lantánidos y actínidos, con los que conviene estar familiarizado, puesto que su uso es recurrente en la investigación química. Sin embargo, la categorización de más amplio rango contenida en el sistema creado por Mendeléiev es la que diferencia a metales, no metales y metaloides.

    El rasgo más significado de los primeros desde el punto de vista de su estructura atómica es la tendencia a desprender electrones para formar iones positivos, los cationes, mientras que los no metales presentan una acusada propensión a la captación de los electrones que tienden a emitir los metales, con la consiguiente inclinación a la formación de iones negativos, los aniones.

    Junto a metales y no metales se distingue un conjunto de elementos que presentan propiedades intermedias y que pueden exhibir un comportamiento metálico o no metálico, en función de las reacciones químicas en las que intervengan: los metaloides o semimetales.

    Disposición en la tabla periódica

    De los más de 110 elementos químicos que integran el sistema periódico apenas 25 presentan naturaleza no metálica o de metaloide. Así pues, los metales predominan ampliamente y se sitúan en la tabla entre los grupos 1 y 15, correspondiendo el estado metálico solamente a los elementos inferiores de cada columna en orden decreciente entre los grupos 12 y 15. Los elementos de carácter no metálico o metaloide se ubican a partir de la primera casilla del grupo 13, correspondiente al boro, y quedan encuadrados en una diagonal de la parte derecha de la tabla, entre el citado grupo 13 y el 18, y con la inclusión del hidrógeno que, por su configuración, se sitúa por encima de los metales alcalinos del grupo 1, aunque no tenga afinidad con ellos desde el punto de vista de su naturaleza química.

    El esquema de la figura 1 muestra la disposición global de los elementos de cada una de las tres categorías.

    Distribución de los metales, no metales y metaloides en la tabla periódica.

    La diagonal que incorpora los elementos metaloides ha de considerarse en términos relativos, ya que, como se ha indicado, según cuáles sean las condiciones de reactividad de estos cuerpos químicos, su naturaleza puede presentar un carácter marcadamente metálico o no metálico. A partir de su colocación en la tabla periódica es posible deducir que precisamente los metaloides presentan una estructura electrónica intermedia entre la de los metales, cuyas capas electrónicas externas tienden a tener espacios vacíos, y las de los no metales, que son propensas en cambio a que estas capas de electrones se llenen.

    Características químicas y físicas de metales y no metales

    Teniendo en cuenta lo anteriormente dicho, conviene ahora repasar las principales características químicas y físicas de los elementos metálicos y no metálicos. Como ya se ha comentado, los metaloides se comportarán según sus condiciones de reactividad.

    Metales

    Los metales, que, como anteriormente se ha indicado, constituyen más de las tres cuartas partes del total de elementos, son cuerpos químicos caracterizados en esencia por su elevada conductividad eléctrica y térmica, así como por presentar propiedades tales como la ductilidad, que determina su capacidad de estirarse sin quebrarse formando filamentos, y la maleabilidad, condición que les permite extenderse hasta formar láminas finas.

    En el ámbito de la metalurgia, la ductilidad se interpreta en el sentido de que dúctil es aquel metal que experimenta una importante deformación antes de romperse, en tanto que aquel que se fractura sin apenas deformación se denomina frágil. Conviene puntualizar que los conceptos de dúctil y frágil no deben asociarse a los de duro y blando, ya que la ductilidad sólo se manifiesta al aplicar una fuerza de cierta intensidad, mientras que la dureza es una propiedad intrínseca de los materiales.

    Por cuanto respecta a la maleabilidad, se dan en grado máximo en metales como el oro o el aluminio. Pruebas de ello son el pan de oro, constituido por láminas de espesor mínimo empleadas en artes decorativas para el dorado de superficies, o el papel de aluminio, de uso generalizado como envoltorio para la conservación de alimentos.

    La mayor parte de los metales se encuentran en estado natural en diversas combinaciones minerales, si bien algunos, como el cobre o el oro, pueden hallarse en estado nativo, cuando no reaccionan con otros elementos. Los metales más abundantes en la corteza terrestre son, por este orden, el aluminio, el hierro, el sodio, el calcio, el potasio y el magnesio.

    Desde el punto de vista de su estado de agregación, los metales son sólidos cristalinos que, en su mayor parte, presentan una estructura sencilla en sus cristales, en los que el empaquetamiento de los átomos es elevado y el grado de simetría alto.

    Por cuanto hace referencia a estructura electrónica periférica, en los metales es predominante la existencia de huecos para electrones en la capa más externa. Tal es la razón por la que propenden a combinarse con no metales, como el oxígeno, el cloro o el azufre, en los que los electrones de valencia tienden a llenar la capa externa.

    No metales

    Los no metales son elementos que tienen como rasgo más significado el de no presentar las características propias de los metales, como la conductividad eléctrica –los no metales suelen ser aislantes o semiconductores– o sus propiedades mecánicas como la ductilidad y la maleabilidad. El hecho de que su propia denominación los designe por oposición, es decir, definiendo lo que no son, es signo de que tengan relativamente pocas propiedades en común en el aspecto físico, aunque su ubicación próxima en el sistema periódico sí determine una serie de características químicas afines. Los no metales propiamente dichos son el carbono, el nitrógeno, el fósforo, el oxígeno, el azufre, el selenio, el flúor, el cloro, el bromo, el yodo, los gases nobles y el hidrógeno, que aunque en la tabla periódica aparece convencionalmente situado sobre los metales alcalinos en el grupo 1, presenta comportamiento no metálico.

    La metalurgia engloba el conjunto de procesos de transformación de los materiales de carácter metálico, como, por ejemplo, la producción del acero a partir del hierro (en la imagen).

    A pesar de lo proporcionalmente reducido de su número, constituyen un elevado porcentaje de la composición de la materia, tanto en el conjunto del Universo, como en la corteza terrestre. También se hallan en proporciones mayoritarias en los seres vivos. La mayor parte de los no metales son gases, excepto el bromo, que es líquido, y el carbono, el fósforo, el azufre, el selenio y el yodo que son sólidos.

    Las pequeñas masas de oro conocidas como pepitas constituyen una de las formas en las que el preciado metal se presenta como elemento en la naturaleza.

    Los átomos de los no metales cuentan con capas electrónicas externas con un número relativamente alto de electrones, estando completa esta capa en los gases nobles. En consecuencia, y con la excepción de estos últimos, que en estado natural son casi completamente inertes, los átomos de los no metales mantienen una acusada tendencia a atraer electrones de otros átomos hacia ellos o, lo que es lo mismo, presentan una elevada electronegatividad. La reactividad que hace que formen compuestos químicos se produce por atracción de electrones de otros átomos menos electronegativos, en cuyo caso aparece un enlace iónico, o por compartición de electrones con átomos de electronegatividad comparable, originándose en este caso un enlace covalente.

    Ordenación por grupos

    Además de clasificar a los elementos en metales, no metales y metaloides, la tabla periódica los agrupa en columnas, de modo que los elementos integrantes de cada una de ellas guardan entre sí una poderosa afinidad, quizá más característica que su correspondiente inclusión en los ya mencionados conjuntos de metales, no metales y metaloides. De esta manera, pueden distinguirse dentro de los metales los alcalinos, los alcalinotérreos y los metales de transición. A su vez, los no metales incluyen a los halógenos y a los gases nobles, mientras que los metaloides se distribuyen entre diversos grupos.

    Metales alcalinos

    Son los seis elementos que componen el grupo 1 del sistema periódico: litio, sodio, potasio, rubidio, cesio y francio, y su denominación obedece a que forman álcalis, bases fuertes con gran capacidad para la neutralización de los ácidos. Se trata de sustancias que se diferencian en su apariencia del resto de los metales, ya que son de color blanquecino poco brillante, su contextura es blanda y presentan puntos de fusión bajos. Son los metales que exhiben una mayor reactividad, razón por la cual no se encuentran en estado nativo en la naturaleza y son obtenidos por electrólisis de compuestos, tales como sales o hidróxidos.

    Tabla 1. Comparación de las propiedades de metales y no metales*.

    Sodio y potasio son los únicos integrantes del grupo que presentan una abundancia significativa en la composición de la corteza terrestre y desempeñan un importante papel en la fisiología de los organismos vivos. Precisamente a ellos se debe la denominación de todo el grupo, ya que, cuando fueron descubiertos, a principios del siglo XIX, se aislaron en cenizas de madera, por lo que se les designó con el término árabe al-qali, ceniza vegetal. Por su parte, el litio presenta un comportamiento químico diferenciado del resto y que lo asimila al de los metales alcalinotérreos, en un rasgo que se da en otros grupos de la tabla periódica, en los que los primeros elementos de cada columna se asemejan químicamente a los del grupo que queda a la derecha. El francio, el más pesado de la serie, carece de isótopos estables y sólo existe en formas radiactivas de vida media corta.

    Entre las aplicaciones de estos metales, puede citarse el empleo del sodio en la fabricación de detergentes, el del potasio en la producción de fertilizantes y el del litio en la industria nuclear.

    Metales alcalinotérreos

    Deben su denominación a que, por una parte, tienen propiedades análogas a las de los metales alcalinos y, por otra, a que son capaces de combinarse con el oxígeno, formando sustancias, conocidas desde tiempos remotos como tierras. Un ejemplo de esto último lo constituye el óxido de calcio o cal. Son de color blancuzco o gris y presentan grados de dureza variables. El berilio, por ejemplo, puede cortar el vidrio, mientras que el bario es blando como el plomo. Sus puntos de fusión y ebullición son bajos, aunque mayores que los de sus homólogos alcalinos y su reactividad es alta.

    El magnesio y el calcio son los únicos integrantes del grupo relativamente abundantes en la corteza terrestre, intervienen en importantes funciones biológicas y son también los de mayor importancia comercial en cuanto a sus aplicaciones se refiere, entre las que se cuentan su uso como reductores y refractarios en siderurgia.

    Metales de transición

    Considerados por periodos, son los comprendidos entre el escandio y el cobre (primera serie), entre el itrio y el cadmio (segunda serie) y entre el lantano y el mercurio (tercera serie). Además hay una cuarta serie, entre el actinio y el ununbio, no agrupable con las anteriores, ya que está formada por elementos sintéticos de vida corta.

    La mayor parte de los elementos de transición tiene puntos de fusión y ebullición más altos que los de los otros metales y densidades elevadas. Son mucho menos reactivos que los alcalinos y alcalinotérreos y, a diferencia de lo que sucede en éstos, se pueden hallar formas relativamente puras de algunos como el oro, la plata o el hierro. Dada la amplitud del grupo, las aplicaciones de sus integrantes son, lógicamente, de la más diversa índole.

    Metales de transición interna

    Son los elementos integrados en las dos filas que se disponen en la parte inferior de la tabla periódica, constituidas, respectivamente, por el lantano y la serie de elementos que lo suceden en número atómico hasta el de Z = 71, el lutecio, y por el actinio y la secuencia que lo sigue en número atómico hasta el de Z = 103, el laurencio.

    A los lantánidos se les conoce como tierras raras, dado que en primera instancia se pensó que eran muy poco abundantes en la naturaleza, si bien más tarde se comprobó que el lantano, el cerio y el neodimio son más abundantes que, por ejemplo, el plomo. En ocasiones, por su afinidad química, se incluyen también entre las tierras raras el escandio y el itrio. Tienen diferentes aplicaciones en industrias como la del vidrio, la óptica, la del alumbrado y como catalizadores en el craqueo de petróleo.

    De los actínidos, sólo cuatro existen en estado natural: el actinio, el torio, el protactinio y el uranio. Los restantes, del neptunio al laurencio, que junto con los de la última serie de transición iniciada en el rutherfordio, forman los llamados elementos transuránidos o sintéticos, los cuales se obtienen artificialmente por bombardeo de otros átomos con partículas de alta energía. Los actínidos más importantes son el uranio y el plutonio, muy empleados en procesos de fisión nuclear.

    Otros metales

    Distribuidos los grupos 13 y 15 del sistema periódico existen otros metales, que son aluminio, galio, indio, talio, estaño, plomo y bismuto. De carácter metálico menos acentuado que los metales de transición, presentan no obstante valores más o menos elevados de conductividad eléctrica y térmica.

    Dentro de este bloque destaca, por la profusión de sus aplicaciones, el aluminio, el más metálico de los citados. Es el tercer elemento más abundante en la corteza terrestre, tras el oxígeno y el silicio, aunque solamente se halla en combinaciones minerales. Se destina, solo o en aleaciones, a múltiples aplicaciones tales como construcción, revestimiento de fachadas, industria aeronáutica y automovilística, fabricación de alambre y utensilios de cocina, etc. Cabe también reseñar el estaño, de notable ductilidad y resistencia a la corrosión, por lo que se emplea como material de revestimiento y en aleaciones, como la hojalata, lámina de acero recubierta de estaño que se emplea en la industria conservera.

    Los metaloides constituyen la base material para la fabricación de los microchips, cuyo creciente nivel de miniaturización hace que sean cada vez más potentes y más sencillos en lo que a su estructura externa se refiere.

    Por su parte, el plomo, elemento de elevada densidad, fue utilizado en construcción y fabricación de conducciones durante siglos, pero fue sustituido por otros materiales, quedando sus usos limitados al revestimiento de cables subterráneos o submarinos y de conducciones o la fabricación de estructuras para el transporte de sustancias corrosivas. También se emplea como material protector contra las emisiones radiactivas.

    Metaloides

    Los metaloides, también denominados semimetales, presentan, como ya se ha mencionado, propiedades intermedias entre las de los metales y las de los no metales. En términos generales, los elementos que se clasifican de forma sistemática como semimetales son el boro, el silicio, el germanio, el arsénico, el antimonio y el telurio, en tanto que el polonio y el astato, muy poco abundantes, se incluyen en esta categoría sólo en ocasiones.

    Los metaloides son sólidos aislantes a temperatura ambiente que, no obstante, pasan a ser conductores cuando son sometidos a calentamiento o cuando se introducen pequeñas cantidades de determinados elementos en su estructura cristalina. Son en consecuencia semiconductores, razón por la cual desempeñan un papel de extraordinaria relevancia en la tecnología actual, al constituir la base de los transistores y microchips de creciente grado de miniaturización, a su vez fundamento material de la industria informática y de otras ramas tecnológicas como las destinadas a la elaboración de células solares para el aprovechamiento de la energía fotovoltaica.

    Desde el punto de vista de su estructura atómica externa, las capas electrónicas tienen espacios que los electrones pueden llenar para conducir la energía eléctrica.

    Halógenos

    Son los cinco elementos no metálicos incluidos en el grupo 17 de la tabla periódica: flúor, cloro, bromo, yodo y astato. Presentan un comportamiento químico muy uniforme, tanto en su reactividad como en las propiedades de sus compuestos. Su nombre, que en griego significa formadores de sales, alude a su alta capacidad para reaccionar con metales o no metales, formando efectivamente sales y otros compuestos, o con hidrógeno, constituyendo hidrácidos, como el fluorhídrico o el clorhídrico, de amplia aplicación en la industria química.

    La mayoría de los halógenos se halla en proporciones relativamente bajas en la composición elemental de la corteza terrestre, con la excepción del astato, que no se encuentra en la naturaleza por constar solamente de isótopos radiactivos de vida media corta. Dada su elevada reactividad, en particular en el caso del flúor, los halógenos siempre se encuentran formando compuestos.

    Disposiciones de los átomos en las dos formas alotrópicas clásicas del carbono: el diamante (a) y el grafito (b). A finales del siglo XX se descubrieron otras formas como los fulerenos (c) estructura molecular de dos fulerenos esféricos constituidos por sesenta átomos de carbono cada uno.

    Disposiciones de los átomos en las dos formas alotrópicas clásicas del carbono: el diamante (a) y el grafito (b). A finales del siglo XX se descubrieron otras formas como los fulerenos (c) estructura molecular de dos fulerenos esféricos constituidos por sesenta átomos de carbono cada uno.

    Otros no metales

    En los grupos 14, 15 y 16 del sistema periódico y en la primera posición del grupo 1, en la que se ubica por convención el hidrógeno, quedan encuadrados los restantes no metales. El hidrógeno, elemento predominante en la materia a escala cósmica, es un gas formado por moléculas diatómicas poco reactivas que, sin embargo, cuando se disocia, da lugar a hidrógeno monoatómico que forma compuestos con los metales alcalinos y alcalinotérreos, con algunos de los de transición, con no metales como el nitrógeno, con el que se combina en el amoniaco, y con los halógenos, formando hidrácidos.

    Entre los no metales no halógenos se cuentan también el carbono, elemento cuyos compuestos constituyen la materia viva y que se presenta en dos formas alotrópicas clásicas, diamante y grafito, a las que modernamente se han añadido otras como los fulerenos, estructuras moleculares de forma esférica o tubular descubiertas en la década de 1990 y que abrieron nuevos cauces de investigación en áreas como el estudio de láseres de altas energías o la biomedicina.

    Otros no metales de gran importancia química son el oxígeno y el nitrógeno, componentes fundamentales de la atmósfera, siendo el primero de ellos, el elemento más abundante en la corteza terrestre. Además, están el fósforo y el azufre, que participan en la fisiología de los seres vivos y tienen profusión de aplicaciones en áreas como la agronomía o las industrias farmacéutica y química.

    Gases nobles

    Son los seis elementos que conforman el grupo 18 de la tabla periódica: helio, neón, kriptón, xenón y radón. Se caracterizan por tener una configuración electrónica de máxima estabilidad, al presentar la capa electrónica externa llena, lo que hace que en condiciones normales sean prácticamente inertes (de hecho, también se les conoce como gases inertes). Sin embargo, en la década de 1960 se descubrió que los tres últimos elementos del grupo podían formar compuestos con el flúor, el átomo con mayor poder de atracción de electrones.

    El helio es el segundo elemento más abundante en la materia cósmica y, junto con los restantes gases nobles, está presente en bajas proporciones en la composición de la atmósfera. Los gases inertes se emplean, entre otras aplicaciones, en la industria de la iluminación, como agentes refrigerantes y, en algunos casos, como anestésicos.